李 成，王讓會，黃 進(jìn)

（1．南京信息工程大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，南京210044；2．中國氣象局 樹木年輪理化研究重點開放實驗室，烏魯木齊830002）

20世紀(jì)后半葉以來，全球變暖趨勢進(jìn)一步加劇。IPCC第四次評估報告也指出，過去100a來全球地表溫度升高0．74℃［1］；溫度升高可能導(dǎo)致極端氣候事件頻發(fā)，給人類社會帶來巨大的負(fù)面影響。我國年平均氣溫呈現(xiàn)增高趨勢，升溫幅度約為0．5～0．8℃［2－3］，北疆年平均氣溫上升率達(dá)0．18℃／10a［4］；全國年降水量呈減少趨勢［5］，但北疆及天山地區(qū)降雨增加趨勢明顯。施雅風(fēng)等［6］指出，我國西北氣候在上世紀(jì)80年代末發(fā)生了由暖干向暖濕的轉(zhuǎn)變，北疆及天山是氣候轉(zhuǎn)型的顯著區(qū)域。在極端氣候方面，近50a全球大部分陸地冷夜明顯減少，而暖夜增加趨勢顯著［7］；中、美、俄等國的強降水事件均有所增加［8］。我國高溫日數(shù)略有減少，暖日（夜）增加明顯，極端氣溫冷指數(shù)整體呈下降趨勢［7］；全國極端降水變化具有區(qū)域性特點，西北地區(qū)降水強度在增強，極端降水事件頻率顯著增加［8－9］。目前，有關(guān)天山地區(qū)氣候變化已有一些研究。如普宗朝等［10］研究指出，近36a天山山區(qū)氣候呈較明顯的暖濕化趨勢，主要表現(xiàn)為氣溫上升，降水增多，線性增多速率達(dá)18．8mm／10a，下墊面濕潤指數(shù)也明顯增大。藍(lán)永超等［11］分析了1960—2005年來天山地區(qū)氣溫和降水的變化，發(fā)現(xiàn)自上個世紀(jì)80年代以來天山山區(qū)氣溫明顯升高，近10a來增溫幅度最大；天山南坡降水增加幅度高于北坡，尤其是南坡西段是近10a降水增幅最大的區(qū)域。趙勇等［12］采用1961—2007年32個氣象站的逐日降水資料分析發(fā)現(xiàn)，天山地區(qū)極端降水事件呈增多趨勢，極端降水量在天山南北坡均隨地形增加而增多。但有關(guān)天山地區(qū)極端氣溫的研究還很少見。

近年來，特殊地域?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)已成為研究熱點。受自然和人為因素的影響，全疆各地區(qū)氣候變化趨勢并不一致，區(qū)域性特征明顯［13］。天山北麓（43°24′—45°24′N，81°01′—90°14′E）地處準(zhǔn)噶爾盆地南緣，歐亞大陸腹地，總面積約14．90×104km2。境內(nèi)地勢總體為南高北低，東高西低，降水稀少，蒸發(fā)強烈，氣候干燥，屬典型的溫帶大陸性干旱氣候。這里既是氣候變化敏感區(qū)域，又是生態(tài)脆弱帶，還是全疆經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重點區(qū)域，土地和礦產(chǎn)資源豐富，城鎮(zhèn)化率超過了60%。

有鑒于此，本文選取天山北麓8個氣象站1961—2010年的觀測資料，對其氣候特征及極端氣溫、降水事件的變化趨勢進(jìn)行較系統(tǒng)和全面的研究，旨在揭示氣候變化的演變規(guī)律，為今后區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)建設(shè)及資源可持續(xù)利用等提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

采用的逐日最高溫度、最低溫度、平均溫度及日降水量資料來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。資料經(jīng)過完整的質(zhì)量控制，去除了由于臺站資料缺失以及部分臺站搬遷造成的資料不連續(xù)，最后選取天山北麓8個氣象站1961—2010年的資料進(jìn)行分析（圖1）。

采用線性趨勢分析、Mann－Kendall檢驗和Hurst指數(shù)等方法來研究氣溫和降水的變化特征。另外，從WMO發(fā)布的50種極端氣候指數(shù)中選取10種極端氣溫和降水指數(shù)［冰（霜）日、冷日（夜）、暖日（夜）；1日最大降水量、極端強降水日數(shù)、零降水量日數(shù)、最長連續(xù)無降水日數(shù)］進(jìn)行分析，用以描述極端氣候指數(shù)的變化趨勢［14－15］。在資料統(tǒng)計中，四季的劃分以3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季。通過算術(shù)平均法分別構(gòu)建天山北麓近50a氣溫、降水及10種極端氣溫和降水指數(shù)變化的時間序列。

圖1 天山北麓氣象站點的分布

2 氣溫和降水變化特征

2．1 年際變化特征

近50a天山北麓年平均氣溫為6．89℃，其中2006年達(dá)到年平均最高氣溫8．17℃，1969年達(dá)到歷年平均最低氣溫5．09℃，相差近3．08℃，并且從20世紀(jì)60年代開始，氣溫一直呈上升趨勢，特別是從90年代開始?xì)鉁厣郎厮俾拭黠@加快，進(jìn)入偏暖期（表1）。天山北麓50a來年平均氣溫上升趨勢顯著（p＜0．01），氣溫增長約1．30℃，升溫幅度在0．26℃／10a左右（表2）。相較全國近50a線性升溫趨勢（0．22℃／10a）和全球近50a氣溫變暖趨勢（0．13℃／10a）則更加明顯［5，16］。這表明在氣候變暖背景下，天山北麓增溫幅度較其它地區(qū)突出。

如表2所示，所有站點年平均氣溫增溫趨勢明顯（p＜0．05），但升溫幅度有一定的差異，其中氣溫上升幅度最大的為伊寧站，增溫幅度可達(dá)0．39℃／10a，其次是烏蘇站，增溫幅度為0．34℃／10a。其它地區(qū)氣象站也有（0．16～0．32）℃／10a左右的增幅。

表1 天山北麓年際氣溫與降水量變化

表2 1961－2010年天山北麓各站平均氣溫和降水量的變化特征

在年降水量方面，近50a天山北麓年均降水量為179．98mm，最高1987年為273．91mm，最低1968年為105．70mm。50a來年降水量增加趨勢顯著（p＜0．01），降水傾向率達(dá)15．67mm／10a（表2）。從20世紀(jì)60年代開始，各年代降水量逐漸增加（表1）。20世紀(jì)60、70年代是相對枯水期，年降水量明顯低于均值；80年代總體處于降水波動期；而從90年代以后，降水明顯增多，進(jìn)入豐水期。這是由于天山北麓受西風(fēng)環(huán)流影響，來自北冰洋和大西洋的水汽在天山北坡受地勢阻擋被迫抬升，形成豐沛的地形雨。氣候變暖導(dǎo)致水循環(huán)加快，海洋和陸地水汽蒸發(fā)量加大，80年代中后期以來，西風(fēng)環(huán)流增強，帶來了豐沛的水汽，水汽輸入量增加，從而使天山降水量增多［17］。這與胡汝驥［18］、施雅風(fēng)等［19］的研究結(jié)論相似。

從各個臺站降水增加的顯著性看（表2），所有站點降水增加明顯（p＜0．05）。其中烏魯木齊站的降水增加最為明顯，降水傾向率達(dá)到了30．42mm／10a，為天山北麓最高，伊寧站其次，降水傾向率達(dá)到23．34 mm／10a，其它氣象站的降水傾向率也有（6．66～14．83）mm／10a左右的增加。

2．2 季節(jié)變化特征

近50a天山北麓四季平均氣溫總體呈上升趨勢（表2），其中，秋、冬季升溫明顯（p＜0．01），且以冬季增溫速度最快，氣溫平均增長2．45℃，上升幅度為0．49℃／10a，秋季增溫幅度略小，升溫率為0．35℃／10a，均高于年平均氣溫的增長，春、夏季氣溫升溫率分別為0．14℃／10a和0．06℃／10a。秋、冬季近50a來總增溫大于年增溫，這可能是由于不同季節(jié)氣溫上升不同步所致［20］，且秋、冬季氣溫的上升對天山北麓整體氣溫增高有直接的作用。

天山北麓各站氣溫在不同季節(jié)表現(xiàn)出不同的差異（表2）：春季除溫泉和烏魯木齊外，氣溫年際變化傾向率在0．15～0．31℃／10a之間，其中伊寧地區(qū)上升最高；夏季氣溫下降區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，奇臺地區(qū)以0．09℃／10a趨勢略呈下降趨勢，氣溫年際變化傾向率在（0．11～0．32）℃／10a之間；秋、冬季各站點全部呈上升趨勢，其年際變化傾向率分別為（0．37～0．60）℃／10a和（0．27～0．79）℃／10a。

50a來，天山北麓四季降水總體呈增加趨勢（表2），其年際變化傾向率分別為3．83，5．44，2．45，3．92 mm／10a。其中，降水增加趨勢在春、夏、冬季較為明顯（p＜0．05），尤其是夏季降水在年降水變化中起主導(dǎo)作用。

就空間分布而言（表2），除達(dá)坂城（春）和精河（秋）降水呈減少趨勢，減幅分別為－0．36mm／10a和－0．64mm／10a外，其他各站點四季降水均呈增加趨勢，年際變化傾向率分別為（0．68～9．79）mm／10a、（0．76～11．61）mm／10a、（0．45～6．14）mm／10a和（0．68～7．47）mm／10a，其中烏魯木齊在春、冬季降水顯著增多，溫泉和伊寧分別在夏、秋季降水較多。

2．3 突變檢驗及趨勢分析

由圖2年平均氣溫 M－K突變檢驗曲線可知，20世紀(jì)60—80年代UF值在零值上下波動，此后一直大于零值，從2000年開始，UF值超出了信度線，增溫趨勢更加顯著。UF和UB曲線在1996年相交，且交點處于兩條信度線內(nèi)，說明1996年為年平均氣溫的突變年份。這與姚俊強等［21］提出的天山地區(qū)氣溫從1996年突然發(fā)生變化的觀點一致。從年降水量M－K突變檢驗曲線可以看出（圖2），20世紀(jì)60—80年代初UF值在零值上下波動，年降水變化趨勢不明顯，從80年代末開始降水明顯增加，且通過了α＝0．05臨界線，UF和UB曲線在1983年相交，交點在±1．96信度線之間，表明年降水量在1983年發(fā)生了突變。這與姜逢清等［4］報道的北疆年降水量于1984年前后發(fā)生突變的論述基本一致，但較天山山區(qū)（1986年）略早［10］。

圖2 天山北麓年平均氣溫和年降水量M－K檢驗

天山北麓年平均氣溫和年降水量的Hurst指數(shù)值分別為0．70和0．75，兩者均大于0．5，說明未來兩者變化趨勢具有持續(xù)性，即與過去50a的變化趨勢相同。由M－K檢驗結(jié)果可知，兩者過去呈明顯的增加趨勢，因而未來天山北麓年平均氣溫和年降水量整體上也將呈增加趨勢。

3 極端氣候指數(shù)變化特征

3．1 年際變化特征

如圖3所示，近50a天山北麓冰（霜）日呈明顯下降趨勢（p＜0．05），其年際變化傾向率分別為－1．78 d／10a和－2．40d／10a。冰日在20世紀(jì)70年代中期之前呈增加趨勢，之后處于波動變化，上升或下降趨勢不明顯，近15a呈較明顯的下降趨勢；而霜日在20世紀(jì)70年代之前呈增加趨勢，此后開始減少，80年代初又出現(xiàn)短暫上升，但從80年代中期以來一直呈明顯的下降趨勢。對同期冷日（夜），暖日（夜）進(jìn)行分析可知，50a來冷日（夜）呈顯著減少趨勢（p＜0．05），線性傾向率分別為－2．20d／10a和－4．40d／10a，而暖日（夜）分別以0．68d／10a和2．59d／10a的趨勢增加，尤其是暖夜增加趨勢明顯（p＜0．05）。冷日（夜）在70年代之前呈增加趨勢，之后一直處于波狀下降趨勢；暖日（夜）在70年代前呈下降趨勢，此后迅速上升，70年代中期之后又開始減少，近15a出現(xiàn)波狀上升趨勢。冷日（夜）的變化幅度大于暖日（夜），夜間增暖的幅度明顯大于白天，說明夜間氣溫升高對變暖的貢獻(xiàn)更大。同時冰（霜）日、冷日（夜）的減少趨勢和暖日（夜）的增加趨勢也在一定程度上反映了天山北麓近50a氣溫呈升高趨勢。

各站點冰（霜）日、冷日（夜）均呈現(xiàn)減少的趨勢（圖4），其中伊寧站在冰日、霜日和冷日指數(shù)中，下降趨勢最為明顯；而冷夜下降中心則在烏魯木齊。大部分站點暖日（夜）呈增加趨勢，上升趨勢最顯著的地區(qū)分別在精河和伊寧。

50a來，1日最大降水量和極端強降水日數(shù)呈逐漸增加的趨勢（圖3），其傾向率分別為1．36mm／10a和1．81d／10a，而零降水日數(shù)和最長連續(xù)無降水日數(shù)呈減少趨勢變化，下降速率分別為－2．86d／10a和－0．96d／10a，除最長連續(xù)無降水日數(shù)外，其他指數(shù)均通過α＝0．05的顯著性檢驗。1日最大降水量和極端強降水日數(shù)在20世紀(jì)70年代中期開始呈明顯的波狀增加趨勢，而零降水日數(shù)和最長連續(xù)無降水日數(shù)自60年代至今均呈減少的趨勢，尤其是零降水日數(shù)振幅增加明顯。

由圖4可看出，各站點1日最大降水量和極端降水日數(shù)均呈增加趨勢，烏魯木齊站這兩個指數(shù)增加幅度最明顯，傾向率分別為28．35mm／10a和2．22d／10 a；而零降水日數(shù)和最長連續(xù)無降水日數(shù)在大部地區(qū)呈減少趨勢，下降趨勢最明顯的區(qū)域均位于精河縣。

3．2 極端氣溫指數(shù)與年平均氣溫的關(guān)系

由表3可知，平均氣溫和各極端氣溫指數(shù)的相關(guān)系數(shù)均大于0．5，且通過了0．01的置信度檢驗。平均氣溫與暖日（夜）呈較顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0．52和0．609；平均氣溫與冷指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，負(fù)相關(guān)系數(shù)范圍在－0．6～－0．9之間。說明隨著年平均氣溫的升高，極端高（低）溫事件顯著增加（減少）。除平均氣溫外其它各極端冷指數(shù)之間及暖日、暖夜之間也有很好的相關(guān)性。

圖3 1961－2010年天山北麓極端氣候指數(shù)的年際變化

圖4 1961－2010年天山北麓極端氣候指數(shù)年際變化的空間分布

3．3 極端降水指數(shù)與年降水量的關(guān)系

年降水量與極端降水指數(shù)也有很高的相關(guān)性，且通過了0．01的顯著性檢驗（表4）。這與江志紅等［22］得出中國，尤其是北疆，年極端降水事件與年降水量之間存在較好的相關(guān)性的結(jié)論相符。年降水量與1日最大降水量和極端降水日數(shù)呈顯著正相關(guān)，而與零降水日數(shù)和最長連續(xù)無降水日數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，尤其是年降水量與極端降水日數(shù)和零降水日數(shù)的相關(guān)性最好，分別達(dá)到0．972和－0．864。除年降水量外大部分極端降水指數(shù)之間也有很好的相關(guān)性。

表3 1961－2010年天山北麓極端氣溫與年平均氣溫的相關(guān)系數(shù)

表4 1961－2010年天山北麓極端降水與年降水量的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論與討論

（1）近50a，天山北麓年平均氣溫和年降水量均呈增加趨勢，其年際變化傾向率分別為0．26℃／10a、15．67mm／10a。這與施雅風(fēng)等［19］得出的中國西北地區(qū)存在氣溫上升、降水增加，并有可能出現(xiàn)氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的結(jié)論相一致。天山北麓作為全疆經(jīng)濟(jì)核心區(qū)域，工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，土地和礦產(chǎn)資源豐富。增溫可能與溫室氣體的排放及土地利用方式的改變有關(guān)。而氣候變暖導(dǎo)致水循環(huán)加快，蒸發(fā)增強，大氣中水汽含量的增加及大氣環(huán)流形式的改變可能是降水量增加的主要原因［4］。

（2）50a來四季平均氣溫和降水量總體均呈上升趨勢。其中，秋、冬季升溫趨勢要高于春、夏季，且以冬季增溫速度最快；降水增加趨勢在春、夏、冬季較為明顯，尤其是夏季降水在年降水變化中起主導(dǎo)作用。

（3）天山北麓年平均氣溫和年降水量的突變年份分別在1996年和1983年，兩者的Hurst指數(shù)值均大于0．5，未來年平均氣溫和年降水量整體上仍呈增加趨勢。

（4）天山北麓各站冰（霜）日、冷日（夜）均呈下降趨勢，即極端低溫事件明顯減少，暖日（夜）呈明顯上升趨勢，大部分地區(qū)增加趨勢較為明顯。而在極端降水方面，所有站點1日最大降水量和極端強降水日數(shù)均表現(xiàn)為一致的增加趨勢，零降水日數(shù)和最長連續(xù)無降水日數(shù)各站的變化趨勢并不一致，多數(shù)站點減少趨勢較為明顯。極端氣溫指數(shù)與年平均氣溫、極端降水指數(shù)與年降水量均有很好的相關(guān)性。

天山北麓氣候呈“暖濕化”趨勢，在一定程度上有利于生態(tài)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)，對于提高綠洲農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)力具有重要影響［23］。植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的核心要素，在物質(zhì)與能量循環(huán)中起重要作用。相關(guān)文獻(xiàn)表明，由于溫濕條件配合較好，天山地區(qū)自然植被凈第一性生產(chǎn)力呈較明顯增長，有助于調(diào)節(jié)區(qū)域碳平衡、減緩大氣中溫室氣體排放［24］。但降水的有限增加，并不能從根本上改變整個干旱區(qū)的基本面貌，相反降水分布不均勻，造成地表徑流空間分布不均勻，是形成山地—綠洲—荒漠系統(tǒng)和沙漠、戈壁的主要原因［25］。因此，如何基于多元數(shù)據(jù)（氣象、土壤、水文、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等相關(guān)資料），合理反映氣候變化對天山北麓生態(tài)環(huán)境的潛在影響，積極探索適應(yīng)氣候變化的措施，仍有待于進(jìn)一步深入探討。

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